红外传感器，能在几分之一秒内分析液体成分

2022-09-01 16:20:15  信息编号：K223426  浏览次数：123

在分析化学中，通常需要以秒为单位准确监测液体中某些物质的浓度变化。尤其是在制药行业，此类测量需要极其灵敏和可靠。

研究人员开发了一种新型传感器，它非常适合这项任务，并以独特的方式结合了几个重要优势：基于定制的红外技术，它比以前的标准设备更加敏感。

此外，它可以用于广泛的分子浓度，并且可以直接在液体中操作。这是其化学稳定性的结果，因此可以实时提供数据，即在几分之一秒内。

为了测量分子的浓度，使用中红外光谱范围内的辐射，这是一项众所周知的技术：分子吸收中红外范围内的特定波长，而其他波长则无衰减地传输。因此，不同的分子具有其非常特定的“红外指纹”。通过准确测量与波长相关的吸收强度分布，可以在任何给定时间确定样品中特定分子的浓度。

长期以来，红外光谱一直用于气体传感。新成就是将这项技术应用到指尖大小的传感器芯片上，该芯片特别适用于液体传感。开发这种传感器既是技术挑战，也是分析挑战，因为液体吸收红外辐射的能力比气体强得多。紧凑型液体传感器是与固态电子研究所的 Benedikt Schwarz 合作实现的，并在 TU Wien 最先进的洁净室微纳米结构中心制造。

只需要几微升的液体即可进行测量，传感器实时提供数据，每秒多次。因此，我们可以实时精确监测浓度变化，并测量烧杯中化学反应的当前阶段。这与其他参考技术形成鲜明对比，您需要在其中取样、分析并等待数分钟才能得出结果。

这得益于维也纳工业大学电气工程和化学系之间的合作：固态电子研究所在所谓的量子级联激光器和探测器的设计和制造方面拥有丰富的经验。它们是基于半导体的微型设备，可以根据其微米和纳米结构发射或检测具有精确定义波长的红外激光辐射。

这种激光发射的红外辐射在微米长度范围内穿透液体，然后由同一芯片上的检测器测量。使用这些特殊组合的超紧凑型激光器和探测器，实现了一种传感装置，并在首次概念验证测量中测试了其性能。

为了证明新型中红外传感器的性能，选择了生物化学反应：加热已知的模型蛋白质，从而改变其几何结构。最初，蛋白质具有螺旋状线圈的形状，但在较高温度下它会展开成扁平结构。

这种几何变化也改变了蛋白质特定的中红外指纹吸收光谱。选择了两个合适的波长并制造了合适的基于量子级联的传感器，将它们集成到单个芯片上，事实上，事实证明：您可以使用这种传感器以高灵敏度和实时观察所选模型蛋白的所谓变性。

该技术非常灵活。可以根据需要调整必要的波长以研究不同的分子。还可以在同一芯片上添加更多的量子级联传感器来测量不同的波长，从而同时区分不同分子的浓度。

这开辟了分析化学的一个新领域：液体的实时中红外光谱，可能的应用非常多样化，从观察蛋白质的热诱导结构变化和其他分子的类似结构变化，到化学反应的实时分析，例如在药物生产或工业制造过程中。